数控技术及应用(清华版.4.数控机床的机械结构)

4. 滚动导轨的计算
滚动导轨的计算主要应对滚动 体的承载能力进行计算，精密 机床还要验算导轨的刚度，使 其在机床精度允许的范围内。
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4.4 进给系统的机械传动机构
4.4.1 对进给系统的机械传动机构的要求
数控机床进给系统的机械传动机构是指将电动机的 旋转运动变为工作台或刀架的运动的整个机械传动 链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副(或蜗杆蜗轮副) 等以及它们的支承部件(轴承座等)。
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4.3.2 导轨的分类和特点
机床上常用的导轨， 机床上常用的导轨，按其接触面间的 摩擦性质的不同，可分为以下三大类。 摩擦性质的不同，可分为以下三大类。 1. 滑动导轨 滑动导轨具有结构简单、制造方 便、刚度好、抗振性强等优点， 因此在一般的机床上应用最为广 泛。常用的导轨截面形状有三角 形、矩形、燕尾形及圆柱形等四 种，如图4.5所示。 2. 滚动导轨 在导轨工作面间放入滚珠、滚柱 或滚针等滚动体，使导轨面间成 为滚动摩擦，可以大大降低摩擦 系数，提高运动灵敏度。 3. 静压导轨 静压导轨是在导轨工作面间通入 具有一定压强的润滑油，使运动 件浮起。导轨面间充满润滑油形 成的油膜，因而始终处于纯液体 摩擦状态。 (1) 开式静压导轨 (2) 闭式静压导轨
2. 刀库
刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局 以及具体结构对数控机床的设计有很大影响。
(1) 刀库的存储量 (2) 刀库的形式 (3) 选刀方法
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4.3 数控机床的导轨
4.3.1 对导轨的基本要求
导轨应满足以下基本要求。
(1) 导向精度：是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性 和它与有关基面之间相互位置的准确性。无论在空载时还是 在切削加工时，导轨都应有足够的导向精度。影响导向精度 的主要因素包括导轨的结构形式、导轨的制造精度和装配质 量，以及导轨和基础件的刚度等。 (2) 精度保持性：是指导轨在长期使用中保持导向精度的能 力。导轨的耐磨性是保持精度的决定性因素，它与导轨的摩 擦性质、导轨的材料等有关。除了力求减少磨损量外，还应 使导轨面在磨损后能自动补偿和便于调整。 (3) 低速运动平稳性：运动部件在导轨上低速运动或微量移 动时，运动应平稳，无爬行现象。这一要求对数控机床尤为 重要。它与导轨的结构类型、材料、润滑条件等有关。要求 导轨的摩擦系数要小，以减小摩擦阻力。而且动、静摩擦系 数应尽量接近，同时还应有良好的阻尼特性。 (4) 结构简单、工艺性好：要便于加工、装配、调整和维修。
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4.5 习 题
(1) 数控机床的机械结构与一般机床相比，在哪些方 数控机床的机械结构与一般机床相比， 面提出了更高的要求？为什么？ 面提出了更高的要求？为什么？ (2) 机床的主传动系统和主轴部件的功能是什么？对 机床的主传动系统和主轴部件的功能是什么？ 加工中心的主传动系统和主轴部件提出了哪些要求？ 加工中心的主传动系统和主轴部件提出了哪些要求？ (3) 数控机床的进给传动系统的功能是什么？典型的 数控机床的进给传动系统的功能是什么？ 直线进给传动系统是由哪些部分组成的？ 直线进给传动系统是由哪些部分组成的？ (4) 数控机床常用的导轨有哪几类？各有什么特点？ 数控机床常用的导轨有哪几类？各有什么特点？ (5) 为什么数控机床广泛采用滚动导轨？ 为什么数控机床广泛采用滚动导轨？ (6) 滚动导轨按照滚动体的不同分成哪几种？各适用 滚动导轨按照滚动体的不同分成哪几种？ 于什么场合？ 于什么场合？ (7) 滚动导轨为什么要进行预紧？如何进行预紧？预 滚动导轨为什么要进行预紧？如何进行预紧？ 紧力过大时，会带来什么问题？ 紧力过大时，会带来什么问题？
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4.2.4 自动换刀装置
1. 简介
(1)自动换刀装置应满足的要求：自动换刀装置的功能就是 储备一定数量的刀具，并完成在加工过程中的自动更换刀 具。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精 度高、有足够的刀具储存量、刀库体积小以及安全可靠等 基本要求。 (2)自动换刀装置的主要形式：各类数控机床的自动换刀装 置的结构取决于机床的型式、工艺范围以及刀具的种类和 数量等。
第4章 数控机床的机械结构
数控机床的机械结构与普通机床相比有相似之 处，但其工艺特点对数控机床的机械结构提出 了更高的要求。 了更高的要求。 本章对数控机床机械机构的特点进行较为全面 的阐述。重点对数控机床的主传动系统、 的阐述。重点对数控机床的主传动系统、导轨 及进给传动系统进行详细介绍。 及进给传动系统进行详细介绍。
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4.1.2 对数控机床机械结构提出的要求
数控机床的上述特点， 数控机床的上述特点，对其机械结构 提出了更高的要求， 提出了更高的要求，主要有以下几个 方面。 方面。 1. 高刚度 2. 高抗振性 3. 减少机床的热变形 4. 提高进给运动的动态性能和定位 精度
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4.2 数控机床的主要组成部分及其结构简介
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4.2.2 主传动系统及主轴部件
机床的主传动系统将电动机 的扭矩或功率传递给主轴部 件，使安装在主轴内的工件 或刀具实现主切削运动。 或刀具实现主切削运动。主 传动系统和主轴部件一般都 设计成一个主轴箱。 设计成一个主轴箱。 1. 主轴箱的机械结构
加工中心的主轴箱由于要沿z 轴方向运动，因此要求主传动 系统的传动件尽量少、结构紧 凑、运动轻便。一般采用了无 级调速电动机直接带动主轴回 转，或经1~2级变速传动主轴， 图4.2为某加工中心主轴箱的 机械结构图。
1. 刚性调整法 (1) 偏心轴套调整法 (2) 轴向垫片调整法 (3) 双薄片齿轮垫片调整法 2. 柔性调整法 这种调整法一般都采用调整弹簧弹力的方法消除齿侧间隙。因而调 整之后齿侧间隙仍可自动补偿。在齿轮的齿厚和周节有变化的情况 下，也能保持无间隙啮合。但这种调整法结构较复杂，传动刚度低， 传动平稳性也差。
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4.3.3 滚动导轨的结构和参数选择原则
1. 滚动导轨的结构形式
(1)滚珠导轨(图4.6) (2)滚柱导轨(图4.7) (3)滚针导轨 (4)直线滚动导轨块(副)组件
2. 滚动导轨的预紧
预紧的方法有以下两种。 (1) 采用过盈配合 (2) 采用调整元件
3. 滚动导轨参数选择原则
(1)滚动体尺寸和数目的选择 (2)滚动导轨的长度
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4.1 数控机床机械结构的主要特点
4.1.1 数控机床的主要工艺特点
(1)自动化程度高、柔性好：数控机床可以自动控制各运动 部件的动作顺序，自动变速，以及实现多坐标联动加工， 因而还能完成一般机床难以完成的复杂型面加工。当改变 加工工件时，只需要改变加工程序，因此能实现单件、小 批生产的加工自动化。 (2)加工精度高、质量稳定：数控机床是根据数控加工程序 自动进行加工的，因而可以避免人为的误差，自动保证稳 定的加工精度。此外，在计算机控制的数控机床上，还可 以利用软件进行精度校正和工件误差补偿，进一步提高加 工精度。 (3)生产效率高：数控机床采用了高转速、大进给量，有大 的切削功率，可同时实现粗、精加工，加之无需工序间的 检验与测量，因而生产效率可大大提高。在采用自动换刀 的数控机床(加工中心)上，工序可以高度集中，工件在一次 装夹后可以完成工件各面的钻、铣、镗、攻螺纹等的加工， 因而适合于加工表面多，相互位置精度要求高的工件，生 产效率可显著提高，生产周期也可大大缩短。
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1. 高传动刚度 2. 高谐振 3. 低摩擦 4. 低惯量 5. 无间隙
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4.4.2 滚珠丝杠螺母副
1. 工作原理和特点 2. 结构类型 3. 滚珠丝杠副的支撑方式 4. 滚珠丝杠螺母副的选用 5. 滚珠丝杠副的计算
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4.4.3 齿轮传动副的消隙措施
数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降 速比要求。由于齿轮制造中不可能达到理想齿面的要求， 速比要求。由于齿轮制造中不可能达到理想齿面的要求，总是 存在着一定的误差，因此，一对啮合着的齿轮， 存在着一定的误差，因此，一对啮合着的齿轮，总要有一定的 齿侧间隙才能正常地工作。但是， 齿侧间隙才能正常地工作。但是，齿侧间隙会造成进给系统的 反向失动量，对闭环系统来说， 反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定 因此，齿轮传动副常采用以下消除侧隙的措施， 性。因此，齿轮传动副常采用以下消除侧隙的措施，以尽量减 小齿侧间隙。 小齿侧间隙。
4.2.1 数控机床的主要组成 部分
数控机床的主要组成部分与普 通机床相类似，包括以下几个 组成部分： 主传动系统及主轴部件— —使刀具(或工件)产生主 切削运动。 进给传动系统——使工件 (或刀具)产生进给运动并 实现定位。 基础件——床身、立柱、 滑座、工作台等。 其他辅助装置——如液压、 气动、润滑、切削液等系 统及装置。 图4.1为一台小型立式加工中 心的外形图。
2. 主轴准停装置
某加工中心主轴准停装置的工 作原理如图4.3所示。
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4.2.3 进给传动系统
数控机床的进给传动系统与一般的机床有着本质上的差别， 数控机床的进给传动系统与一般的机床有着本质上的差别，它 是进给伺服系统的一个重要组成部分。 是进给伺服系统的一个重要组成部分。由数控系统发出的速度 和位移指令信号经过伺服驱动装置和进给传动系统， 和位移指令信号经过伺服驱动装置和进给传动系统，可以使工 作台或刀架实现要求的进给运动和精确的定位， 作台或刀架实现要求的进给运动和精确的定位，自动完成切削 过程。大部分数控机床带有2~3个直线进给运动，有的还带有圆 个直线进给运动， 过程。大部分数控机床带有 个直线进给运动 周进给运动。 周进给运动。典型的直线进给运动的进给系统机械结构的示意 图如图4.4所示 所示。 图如图 所示。
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4.5 习 题
(8) 滚动导轨中滚动体的尺寸和数目选择的一般原则是什么？ 滚动导轨中滚动体的尺寸和数目选择的一般原则是什么？ (9) 对滚动体承载能力的计算中，若不能满足要求时，应如何处理？ 对滚动体承载能力的计算中，若不能满足要求时，应如何处理？ (10) 为什么对进给系统的机械传动机构提出了“高传动刚度、高谐振、低 为什么对进给系统的机械传动机构提出了“高传动刚度、高谐振、 摩擦、低惯量、无间隙”的要求？如何才能达到要求？ 摩擦、低惯量、无间隙”的要求？如何才能达到要求？ (11) 为什么在数控机床的进给系统中，普遍采用滚珠丝杠副？ 为什么在数控机床的进给系统中，普遍采用滚珠丝杠副？ (12) 比较滚珠丝杠副中滚珠的两种不同循环方式的结构区别和特点，各适 比较滚珠丝杠副中滚珠的两种不同循环方式的结构区别和特点， 场合？ 用于何种 场合？ (13) 滚珠丝杠副为什么要预紧？常用的预紧方式有哪几种？它们之间有何 滚珠丝杠副为什么要预紧？常用的预紧方式有哪几种？ 区别？ 区别？ (14) 滚珠丝杠副的支撑方式有哪几种？它们之间有什么区别？各适用于何 滚珠丝杠副的支撑方式有哪几种？它们之间有什么区别？ 种场合？ 种场合？ (15) 滚珠丝杠副的主要技术参数有哪几项？它们的一般选用原则是什么？ 滚珠丝杠副的主要技术参数有哪几项？它们的一般选用原则是什么？ (16) 选用滚珠丝杠副时，要进行哪些计算？进行各项计算的目的是什么？ 选用滚珠丝杠副时，要进行哪些计算？进行各项计算的目的是什么？ (17) 齿轮传动副实现消隙的方法有哪几种？刚性调整法和柔性调整法各有 齿轮传动副实现消隙的方法有哪几种？ 什么特点？ 什么特点？